本发明涉及光纤通信技术领域，具体来讲是一种用于级联光放大器通信系统的osnr(opticalsignalnoiseratio，光信噪比)计算方法及装置。
背景技术：
随着新型互联网业务的高速发展，用户数量和数据量迅速增长，对网络容量带宽的需求也日益提升。光通信骨干网传输速率提升至tbit/s量级，通道间隔也逐渐从100ghz过渡到50ghz甚至更低。网络的复杂度不断增加，为了提供稳定可靠的服务，对信号传输质量的性能检测就尤为重要。osnr作为反映光层性能和通信质量的重要参数之一，需要准确地对其进行检测。
osnr检测技术的关键是正确测量信号光功率和噪声光功率，或者根据其他与osnr有着确切关系(如电信噪比snr)的参量来进行计算。传统的osnr计算方法主要有osa(opticalspectrumanalysis，光谱分析)带外插值法、偏振归零法和光延迟干涉法等。
其中，osa带外插值法是利用窄带可调光滤波器来扫描获得光谱来估算osnr的，但是由于osa分辨带宽的问题，如果dwdm(densewavelengthdivisionmultiplexing，密集型光波复用)系统中使用了滤波器，伴随着不断增加的信道数和不断减小的信道间隔，传统的osa带外插值法已经不能正确估算osnr了。而对于偏振归零法，当信号去偏振(pmd-polarizationmodedispersion，偏振模色散或非线性双折射引起)或ase(amplifiedspontaneousemission，放大自发辐射)噪声产生部分偏振(pdl-polarizationdependentloss，偏振相关损耗和pdg-polarizationdependentgain偏振相关增益引起)时，测量的精度会受到极大的影响。而对于光延迟干涉法，则需要引入延迟线装置，使得硬件成本高昂，且会随环境变化出现定不稳定的现象，不易于观察与操作。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种用于级联光放大器通信系统的osnr计算方法及装置，能有效解决传统osnr计算方法中测量精度不够、不稳定、硬件成本高昂和复杂度高的问题。
为达到以上目的，本发明提供一种用于级联光放大器通信系统的osnr计算方法，包括以下步骤：s1、利用各级光放大器的增益系数、各段光纤衰减，计算各级光放大器-光纤段的净增益；s2、利用信道数目、信道间隔、中心频率信道调制后的信号光功率、各级光放大器的增益斜率，并结合s1所得的各级光放大器-光纤段的净增益，计算每个信道每级的信号光功率；s3、根据每级光放大器噪声系数，结合s2所得的每个信道每级的信号光功率，计算链路的等效osnr代价；s4、根据确定的输入端osnr，结合s3所得的等效osnr代价，计算输出端osnr。
在上述技术方案的基础上，在步骤s2之后，还包括以下操作：将计算得到的每个信道每级的信号光功率与实际测得的光功率对比，若两者差距超过指定阈值，则判定链路中出现故障。
在上述技术方案的基础上，步骤s1中，利用各级光放大器的增益系数、各段光纤衰减，计算各级光放大器-光纤段的净增益时，采用以下公式计算：
δj＝gj*lj
其中，δj表示第j级光放大器-光纤段的净增益，j∈[1,n]；n表示光放大器总级数，为大于1的正整数；gj表示第j级光放大器的增益系数，lj表示第j段光纤衰减。
在上述技术方案的基础上，步骤s2具体包括以下操作：
1)确定光放大器的中心频率，利用该中心频率信道调制后的信号光功率
其中，i0表示中心频率信道号，j表示第j级光放大器；
2)确定信道数目ch，利用计算出的中心频率信道在各级光放大器的信号光功率
其中，i表示第i信道，i∈[1，ch]；gtj表示第j级光放大器的增益斜率；b表示信道间隔。
在上述技术方案的基础上，步骤s3具体包括以下操作：
1)根据每级光放大器噪声系数，结合s2所得的每个信道每级的信号光功率pin_e(i，j)计算出k(i，j)，所述k(i，j)为第j级光放大器的噪声特性对第i信道osnr的影响，其计算公式为：
其中，fj表示第j级光放大器噪声系数；
2)累积各级光放大器的k(i，j)后取倒数，计算出整个链路的等效osnr代价osnrlink，其计算公式为：
其中，n1表示第n1级光放大器、n2表示第n2级放大器；当计算从第1级到第j级的累积光放大器的k(i，j)，则n1＝1，n2＝j，以此类推。
在上述技术方案的基础上，步骤s4中，根据确定的输入端osnr，结合s3所得的等效osnr代价，计算输出端osnr时，采用以下公式计算：
其中，osnrin为输入端osnr，osnrlink为s3所得的等效osnr代价，osnrout为输出端osnr。
在上述技术方案的基础上，所述光放大器为掺饵光纤放大器edfa。
在上述技术方案的基础上，所述级联光放大器通信系统包括激光光源、光调制器以及n个级联的光放大器；所述光调制器连接至激光光源的输出端，用于调制激光光源发出的光信号；所述n个级联的光放大器之间通过用于传输光信号的光纤连接，且第一级光放大器连接至光调制器的输出端，用于将光调制器输出的调制光信号进行放大后输出，第n级光放大器连接至光纤的输出端，用于将传输后的光信号放大后输出。
本发明还提供一种实现上述方法的用于级联光放大器通信系统的osnr计算装置，该装置包括净增益计算模块、信号光功率计算模块、等效osnr代价计算模块和目标osnr计算模块；
所述净增益计算模块用于：利用各级光放大器的增益系数、各段光纤衰减，计算各级光放大器-光纤段的净增益；
所述信号光功率计算模块用于：利用信道数目、信道间隔、中心频率信道调制后的信号光功率、各级光放大器的增益斜率，并结合所述净增益计算模块所得的各级光放大器-光纤段的净增益，计算每个信道每级的信号光功率；
所述等效osnr代价计算模块用于：根据每级光放大器噪声系数，结合所述信号光功率计算模块所得的每个信道每级的信号光功率，计算链路的等效osnr代价；
所述目标osnr计算模块用于：根据确定的输入端osnr，结合所述等效osnr代价计算模块所得的等效osnr代价，计算输出端osnr。
在上述技术方案的基础上，该装置还包括故障检测模块，该故障检测模块用于：将所述信号光功率计算模块计算得到的每个信道每级的信号光功率与实际测得的光功率对比，若两者差距超过指定阈值，则判定链路中出现故障。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明基于edfa链路分析，通过光放大器的噪声特性和放大的工作条件来计算osnr，发现链路中的osnr代价仅与光放大器和光纤的特性相关，而对收发端的其他器件及结构没有要求，可以独立计算。因此，本发明仅利用信道数目，信道间隔，调制后的信号光功率，光放大器的增益系数、增益斜率和噪声系数等参数，来计算逐步计算出整个链路的输出osnr。与现有技术相比，测量精度高、稳定性好、硬件成本低、复杂度低，且对未来的光传输系统的设计有一定意义。
(2)本发明在计算得到每个信道每级的信号光功率pin_e(i，j)后，可将计算得到的pin_e(i，j)与实际测得的光功率pin(i，j)对比，若pin_e(i，j)与pin(i，j)差距过大，则表明链路中出现了故障。通过上述操作，可实现对链路中是否存在故障做出快速检测，满足了实际使用需求。
(3)本发明可适用于各种高速、灵活的光纤通信系统，使用范围广，能满足各种使用环境的需求。
附图说明
图1为一种典型的级联光放大器通信系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中用于级联光放大器通信系统的osnr计算方法的流程图；
图3为本发明实施例中用于级联光放大器通信系统的osnr计算装置的结构框图；
图4为本发明实施例中用于级联光放大器通信系统的osnr计算装置的另一结构框图；
图5为仿真实例中每级光放大器增益和光纤链路损耗的示意图；
图6为仿真实例中各级信道进入各级edfa的信号光功率的示意图；
图7为仿真实例中不同信道各级edfa的osnr代价的倒数k的示意图；
图8为仿真实例中计算所得osnr的示意图；
图9为仿真实例中计算所得osnr与仿真测量osnr的差值示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明的设计思路是提供一种用于级联光放大器通信系统的osnr计算方案。其中，所述级联光放大器通信系统如图1所示，包括激光光源、光调制器以及n个级联的光放大器，n为大于1的正整数。其中，光调制器连接至激光光源的输出端，用于调制激光光源发出的光信号；n个级联的光放大器之间通过用于传输光信号的光纤连接，且第一级光放大器连接至光调制器的输出端，用于将光调制器输出的调制光信号进行放大后输出，第n级光放大器连接至光纤的输出端，用于将传输后的光信号放大后输出。
可以理解的是，在级联光放大器通信系统中，例如级联edfa(erbium-dopedopticalfiberamplifier，掺铒光纤放大器)的dwdm系统中，osnr性能的下降主要是由各级edfa积累的ase噪声引起的。链路传输中，信号光功率的衰减会通过光放大器补偿，但噪声也同样得到补偿。随着光放大器的级数不断增加，每个光放大器又会引入新的ase噪声，从而导致osnr不断下降。因此，osnr可以直接通过计算每级光放大器的输出信号光功率与产生的ase噪声功率之比获得。其中，输出信号光功率是通过输入信号光功率和光放大器增益、链路损耗计算的；而ase噪声功率则可以沿着传输链路逐级递推积累算出。
基于上述设计思路，本发明提供一种用于级联光放大器通信系统的osnr计算方案，仅利用信道数目，信道间隔，调制后的信号光总功率，光放大器的增益系数、增益斜率和噪声系数，链路损耗，以及光放大器数目等，可以计算输出的osnr，并能检测链路中是否出现故障，且复杂度低，应用方便，适用于高速、灵活的光纤通信系统。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施例对上述技术方案进行详细的说明。
实施例一
参见图2所示，本实施例提供了一种用于级联光放大器通信系统的osnr计算方法，该方法包括以下步骤：
步骤s1、利用各级光放大器的增益系数、各段光纤衰减，计算各级光放大器-光纤段的净增益。在具体实施过程中，所述光放大器为掺饵光纤放大器edfa。
步骤s2、利用信道数目、信道间隔、中心频率信道调制后的信号光功率、各级光放大器的增益斜率，并结合s1所得的各级光放大器-光纤段的净增益，计算每个信道每级的信号光功率。
步骤s3、根据每级光放大器噪声系数，结合s2所得的每个信道每级的信号光功率，计算链路的等效osnr代价。
步骤s4、根据确定的输入端osnr，结合s3所得的等效osnr代价，计算输出端osnr，即最终得到目标的osnr。
实施例二
本实施例提供的一种用于级联光放大器通信系统的osnr计算方法，其基本步骤与实施例一相同，不同之处在于：该方法的步骤s1中，利用各级光放大器的增益系数、各段光纤衰减，计算各级光放大器-光纤段的净增益时，采用以下公式计算：
δj＝gj*lj(1)
其中，δj表示第j级光放大器-光纤段的净增益，j∈[1,n]，n为光放大器总级数；gj表示第j级光放大器的增益系数，lj表示第j段光纤衰减。
实施例三
本实施例提供的一种用于级联光放大器通信系统的osnr计算方法，其基本步骤与实施例一相同，不同之处在于：该方法的步骤s2具体包括以下操作：
1)确定光放大器的中心频率，利用该中心频率信道调制后的信号光功率
其中，i0表示中心频率信道号，j表示第j级光放大器；
2)确定信道数目ch，利用计算出的中心频率信道在各级光放大器的信号光功率
其中，i表示第i信道，i∈[1，ch]；gtj表示第j级光放大器的增益斜率；b表示信道间隔。
在具体实施过程中，在计算得到每个信道每级的信号光功率pin_e(i，j)后，可将计算得到的pin_e(i，j)与实际测得的光功率pin_e(i，j)对比，若pin_e(i，j)与pin_e(i，j)差距超过指定阈值(该指定阈值可以通过上层管理界面或软件进行人为设置)，则表明链路中出现了故障；若两者基本一致，则可以通过步骤s3继续计算osnr。由此可知，通过上述操作，可实现对链路中是否存在故障做出检测，可满足实际使用需求。
实施例四
本实施例提供的一种用于级联光放大器通信系统的osnr计算方法，其基本步骤与实施例一相同，不同之处在于：该方法的步骤s3具体包括以下操作：
1)根据每级光放大器噪声系数，结合s2所得的每个信道每级的信号光功率pin_e(i，j)计算出k(i，j)，该k(i，j)反映了第j级光放大器的噪声特性对第i信道osnr的影响，其计算公式为：
其中，fj表示第j级光放大器噪声系数；
2)累积各级光放大器的k(i，j)后取倒数，计算出整个链路对osnr的影响osnrlink，即链路的等效osnr代价osnrlink，其计算公式为：
其中，n1表示第n1级光放大器、n2表示第n2级放大器；当计算从第1级到第j级的累积光放大器的k(i，j)，则n1＝1，n2＝j，以此类推。
实施例五
本实施例提供的一种用于级联光放大器通信系统的osnr计算方法，其基本步骤与实施例一相同，不同之处在于：该方法的步骤s4中，根据确定的输入端osnr，结合s3所得的等效osnr代价，计算输出端osnr时，采用以下公式计算：
其中，osnrin为输入端osnr，osnrlink为s3所得的等效osnr代价，osnrout为输出端osnr。
实施例六
本实施例提供的一种用于级联光放大器通信系统的osnr计算方法，其基本步骤与实施例一相同，不同之处在于：该方法还结合了实施例二至实施例五的所有特征。具体来说，该方法包括以下步骤：
s1、确定各级光放大器的增益系数gj和各段光纤衰减lj，根据公式(1)计算各级光放大器-光纤段的净增益δj。
s2、确定光放大器的中心频率，利用该中心频率信道调制后的信号光功率
s3、确定每级光放大器噪声系数fj，结合s2所得的pin(i，j)，根据公式(4)算出k(i，j)，它反映了第j级edfa的噪声特性对第i信道osnr的影响；再根据公式(5)，累积各级光放大器的k(i，j)后取倒数，计算出整个链路的等效osnr代价osnrlink。
s4、根据确定的输入端osnr，即osnrin(通常在光调制器之后默认为无穷大)，结合s3所得的osnrlink，根据公式(6)计算出输出端osnr，即osnrout，得到最终的目标osnr。
实施例七
基于同一发明构思，参见图3所示，本发明实施例还提供了一种实现上述方法的用于级联光放大器通信系统的osnr计算装置。该装置包括净增益计算模块、信号光功率计算模块、等效osnr代价计算模块和目标osnr计算模块；其中：
净增益计算模块用于：利用各级光放大器的增益系数、各段光纤衰减，计算各级光放大器-光纤段的净增益；
信号光功率计算模块用于：利用信道数目、信道间隔、中心频率信道调制后的信号光功率、各级光放大器的增益斜率，并结合所述净增益计算模块所得的各级光放大器-光纤段的净增益，计算每个信道每级的信号光功率；
等效osnr代价计算模块用于：根据每级光放大器噪声系数，结合所述信号光功率计算模块所得的每个信道每级的信号光功率，计算链路的等效osnr代价；
目标osnr计算模块用于：根据确定的输入端osnr，结合所述等效osnr代价计算模块所得的等效osnr代价，计算输出端osnr。
实施例八
本实施例提供的用于级联光放大器通信系统的osnr计算装置，其基本结构与实施例七相同，不同之处在于：参见图4所示，该装置还包括故障检测模块。该故障检测模块用于：将所述信号光功率计算模块计算得到的每个信道每级的信号光功率与实际测得的光功率对比，若两者差距超过指定阈值，则判定链路中出现故障。
本发明基于edfa链路分析，通过光放大器的噪声特性和放大的工作条件来计算osnr，对收发端的其他器件及结构没有要求。与现有技术相比，测量范围可达到20db以上，精度可达1db以内，系统稳定性好，计算复杂度低，且对未来的光传输系统的设计有一定意义。
为了进一步验证本发明所能达到的技术效果，以下结合附图及仿真实例，对依据本发明提出的用于级联光放大器通信系统的osnr计算方案的技术效果进行详细说明。
该仿真实例中，通过对传输8个跨段，每个跨段长度100km，速率为9*10gbps的dwdm光纤通信系统进行osnr计算来说明本方法的具体流程以及最终的光信噪比计算效果。
整个相干光传输系统在vpi(vpiphotonics公司推出的光纤系统仿真软件)中搭建，光信号调制后的功率为-18dbm，每级光放大器增益和光纤链路损耗如图5所示：图中oa表示光放大器，噪声系数均为6db，下方四位数的前两位表示增益系数，从第一到第十级依次为18db，25db，25db，25db，14db，18db，25db，25db，25db，25db；链路下方数值为光纤链路的损耗值，仿真中均取25db，roadm(reconfigurableopticaladd-dropmultiplexer，可重构光分插复用器)的损耗为7db。增益斜率典型值为-1db/thz，但在两个1821光放大器上预加重为3db，即1529.16nm比1560.20nm单波功率高3db，短波到长波功率依次递减3/79db。
具体的处理方法如下：
1、根据步骤s1中的内容，通过公式(1)容易得到每级净增益δj，此系统中，δ1＝δ6＝-7db，δ2＝δ3＝δ4＝δ7＝δ8＝δ9＝0，δ5＝7db。
2、根据步骤s2中的内容，利用净增益计算中心频率信道在各级光放大器的信号光功率，再利用增益斜率值和预加重的参数，计算各信道各级的信号光功率pin_e(i，j)。仿真中，由于不存在链路故障，pin_e(i，j)与pin(i，j)相同，如图6所示。其中，f表示信道频率，单位为thz；pin表示进入edfa的功率，单位为dbm。
3、根据步骤s3中的内容，先计算出每个edfa的osnr代价，即每个edfa的噪声特性对第i信道osnr的影响，如图7所示。其中，k反映每个edfa的osnr代价，osnredfai＝1/ki。将它们累积得到链路osnr代价，即
4、根据步骤s4中的内容，将osnrin和osnrlink分别取倒数相加，得到osnrout的倒数，从而获得目标的输出端osnr，如图8所示。其中，osnr单位为db。为了检验其准确性，将此方法计算结果与仿真测量结果对比，差值δosnr如图8所示。δosnr单位为db。
对9个信道，10级光放大器的系统，带入上述过程逐个计算，得到输出端每个信道的osnr。仿真结果表明，用这种方法计算出的osnr与仿真测得的osnr误差均在1db以内。因此，本方法所得到光信噪比计算误差较小，能够达到实际使用时的要求。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。